[研究背景]
高性能抗冲击结构材料作为防护性盔甲和盾牌的基础材料，在运动防护和军事防护等领域一直备受关注。在古代，金属铁等材料常被用来制作士兵的盔甲。随着材料科学和技术的发展，目前具有轻质、高强度、高硬度的先进陶瓷被普遍应用于抗冲击防护结构中。这些以金属或陶瓷基的防护结构的抗冲击性能源自于材料本身的高刚度和高硬度，这使得它们天生缺乏柔性，很难为外形复杂或具有动态形变特性的对象提供防护。为此，近年来学者们采用高性能纤维或鳞片/柔性基质的组合结构来提高防护盔甲的可形变性。尽管这些柔性盔甲表现出了优异的可变形性以及良好的能量吸收能力，但它们在受到动态冲击荷载后同样也会产生的较大的变形。在这种情况下，被保护对象不可避免地会受到冲击而遭到伤害。因此，迫切需要一种策略来调和防护结构材料的柔韧性和抗冲击性之间的矛盾冲突。
[成果简介]
“柔韧性”和“抗冲击”看似矛盾，但它们其实是材料在不同应变率下所表现出来的力学行为。为了让盔甲同时具有柔性（低应变率）和抗冲击性（高应变率），所用材料需具有率相关的力学性能。因此，研究人员将注意力聚焦在剪切硬化凝胶材料上，这类材料也常被称为“非牛顿粘性材料”。它们在低应变率下表现出较高的柔性或延展性，而在高应变率下则表现出较大的刚性和抗冲击性能。但非牛顿凝胶在静态或准静态下往往缺乏自支撑能力，导致它们很难单独作为结构材料使用，需要与其它合适的增强相(reinforcements)材料制作成复合材料使用。为了保证形成的复合材料在低应变率下的柔性，增强相也需要具备可观的形变能力。研究人员受到当下流行的手机折叠屏玻璃的启发，采用化学强化超薄玻璃作为增强相。传统钠钙玻璃是一种易碎的脆性材料。但是，离子交换工艺可以将超薄钠钙玻璃（厚度≤100 μm）的抗弯强度提高到1 GPa。使其能够抵抗很大的弯曲变形，是与剪切硬化凝胶行复合的理想增强相材料。
在该项工作中，研究人员采用具有剪切硬化特性的聚硼硅氧烷（PBDMS）作为基质(Matrix)，化学强化的超薄钠钙玻璃（CSGS）作为增强相来制备柔性抗冲击复合盔甲。首先，为了将裂纹偏转增韧机制引入到超薄玻璃中，研究人员使用激光加工技术在超薄玻璃表面蚀刻出规则的周期性六边形图案。然后，采用离子交换技术对超薄玻璃片实施了化学强化。随后，通过浸渍涂层过程将剪切硬化胶体PBDMS涂覆到超薄玻璃片上。最后，将涂覆有PBDMS的化学强化超薄玻璃片仿照贝母的Nacre结构进行组装，得到了一种PBDMS/CSGS复合层合板结构（简称PCCL）。该层合板在保留了PBDMS和CSGS在准静态荷载下较高的柔性。在高速冲击荷载下，PCCL又表现出了较大的刚性和优良的能量吸收性能。实验结果表明，PCCL这种兼具柔性和抗冲击性能的层合板极具潜力发展成为柔性盔甲，为具有复杂外形（如气球等）的对象提供抗冲击防护。
[图文导读]
图1. PCCL层合板的设计策略。（a）PCCL的制备过程示意图。（b）通过离子交换技术对超薄玻璃实施化学强化的示意图。在离子交换过程中尺寸较大的钾离子会取代玻璃表面尺寸较小的钠离子，从而在玻璃表面形成一个残余压应力场，显著提高超薄玻璃的抗弯强度。（c）PBDMS的剪切硬化工作机理示意图。在低应变率下，B-O动态键很容易分离，PBDMS呈现一种粘性胶体状态；而在高应变率下，B-O动态键紧密结合在一起，分子链相互交联，PBDMS呈现出刚硬状态。（d）化学强化超薄玻璃片的交错堆叠模式示意图。
图2. 化学强化超薄玻璃片，剪切硬化胶体PBDMS以及PCCL层合板的性能表征。（a）通过EPMA表征得到的普通超薄玻璃片和化学强化超薄玻璃表面钾离子浓度沿厚度方向的变化曲线。（b）普通超薄玻璃和化学强化超薄玻璃在三点弯曲测试下的力-挠度曲线。（c）PBDMS在流变测试下的储存模量和损耗模量曲线。（d）PBDMS的FTIR光谱，表明在PBDMS中存在B-O动态键。（e）饼状PBDMS样品在重力作用下的自流动效果。（f）饼状PBDMS样品在锤子准静态压缩和动态击打下的不同响应。（g）自由落球实验表明PBDMS在动态冲击下与弹性固体材料相似。（h）PCCL层合板在外力作用下产生的大弯曲变形。
图3. PCCL层合板在低应变率下的柔性表征。（a）通过准静态弯曲测试得到的PCCL层合板及其对照样品的力-挠度曲线。（b）PCCL及其对照样品在准静态弯曲测试场景下的能量吸收。此处的能量吸收是通过计算力-挠度曲线下的面积得到。（c，d，e）三组样品在准静态弯曲测试下的最大形变快照图。
图4. PCCL层合板在高应变率下的抗冲击性能表征。（a）落锤冲击测试示意图。（b）通过落锤冲击测试得到PCCL层合板及其对照样品的力-位移曲线。（c）PCCL层合板及其对照样品在落锤冲击测试下的能量吸收和峰值力对比。（d）PCCL层合板和对照样品在落锤冲击测试下的能量吸收-峰值力Ashby图。
图5. PCCL层合板及其对照样品在落锤冲击测试后的损伤形貌对比。红色虚线表示样品粉碎区域。
--检测服务--